鍋爐水冷壁管失效分析

劉鳳強(qiáng) 大慶市特種設(shè)備檢驗(yàn)研究所

某廠動(dòng)力車間5＃蒸汽鍋爐于1994年8月投入使用，累積運(yùn)行58367h。鍋爐水冷壁管材質(zhì)為20#鋼；規(guī)格為φ60mm×3mm；設(shè)計(jì)壓力3.82MPa,實(shí)際最高工作壓力3.5MPa；鍋爐額定蒸汽溫度450℃，實(shí)際為430℃。

2012年3月初鍋爐連續(xù)發(fā)生水冷壁管泄漏，泄漏水冷壁管位于鍋爐人孔對(duì)面管排中部，泄漏處位于爐膛底部，對(duì)該水冷壁管失效原因進(jìn)行綜合分析：

1 宏觀檢驗(yàn)

送檢試樣為一段帶圓形泄漏孔的水冷壁管殘片，圓孔呈喇叭狀，圓孔由內(nèi)表面向外表面凸起，圓孔周圍減薄明顯。用肉眼觀察水冷壁管外表面，發(fā)現(xiàn)水冷壁管外表面被一層紅褐色腐蝕產(chǎn)物所覆蓋，圓孔周圍存在較多大小不一的凹坑。用肉眼觀察水冷壁管內(nèi)表面，發(fā)現(xiàn)水冷壁管內(nèi)表面大部分呈黑灰色，其余部位也覆蓋了一層紅黑色腐蝕產(chǎn)物，內(nèi)表面呈現(xiàn)較多凹凸不平的麻坑。

2 掃描電鏡及能譜分析

將水冷壁管泄漏部位制成掃描電鏡試樣，經(jīng)多次超聲波清洗后，將試樣裝入掃描電子顯微鏡內(nèi)進(jìn)行高倍觀察。水冷壁管外表面泄漏處存在明顯塑性變形，形貌見(jiàn)圖1。泄漏點(diǎn)附近覆蓋大量泥灘狀腐蝕產(chǎn)物，形貌見(jiàn)圖2。繼續(xù)對(duì)腐蝕產(chǎn)物放大觀察，發(fā)現(xiàn)腐蝕產(chǎn)物表面存在大量大小不一的凹坑。

對(duì)外表面腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行能譜分析，發(fā)現(xiàn)外表面腐蝕產(chǎn)物主要為鐵的氧化物，另外還含有少量的P元素，分析結(jié)果如圖3所示。

圖1 泄漏部位塑性變形形貌

圖2 泥灘狀腐蝕物

圖3 外表面腐蝕物能譜分析

對(duì)水冷壁管內(nèi)表面進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)水冷壁管泄漏處由管內(nèi)向管外逐步發(fā)展，形態(tài)為孔蝕形成的蝕坑，形貌見(jiàn)圖4。另外內(nèi)表面泄漏處周圍還存在許多大小不一、深淺不一的腐蝕坑。內(nèi)表面腐蝕產(chǎn)物已產(chǎn)生龜裂，形貌見(jiàn)圖5。

對(duì)內(nèi)表面腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行能譜分析，發(fā)現(xiàn)內(nèi)表面腐蝕產(chǎn)物也主要為鐵的氧化物，另外還含有少量的Ca、P元素，分析結(jié)果見(jiàn)圖6。

圖4 孔蝕蝕坑

圖5 腐蝕產(chǎn)物龜裂形貌

圖6 內(nèi)表面腐蝕物能譜分析

將水冷壁管沿縱向磨平后裝入掃描電子顯微鏡觀察水冷壁管縱向界面，發(fā)現(xiàn)水冷壁管內(nèi)、外表面存在較多腐蝕凹坑，管壁最薄處壁厚僅剩1.8mm左右，內(nèi)表面腐蝕坑最深處深度約為0.1mm。

3 微觀檢驗(yàn)

將泄漏水冷壁管采用機(jī)械加工的方法制成微觀金相試塊，經(jīng)過(guò)粗磨、多次細(xì)磨及拋光后制成微觀金相試樣，未腐蝕前上金相顯微鏡觀察，未見(jiàn)超標(biāo)冶金缺陷。

金相試樣經(jīng)4%硝酸酒精浸蝕后觀察，顯微組織為：魏氏組織鐵素體+珠光體。

圖7 水冷壁管顯微組織

4 討論

通過(guò)以上對(duì)泄漏水冷壁管的分析，尤其是水冷壁管內(nèi)表面腐蝕產(chǎn)物含有較多的O元素，可以看出該水冷壁管的腐蝕主要是由于氧腐蝕所致。

氧腐蝕在鍋爐中大多是起陰極去極化作用，屬于吸氧腐蝕，它是鍋爐系統(tǒng)中最常見(jiàn)、較嚴(yán)重的腐蝕。鍋爐由于給水循環(huán)量較大，溶解氧帶人鍋內(nèi)的機(jī)會(huì)多，所以這種鍋爐產(chǎn)生的氧腐蝕要其它容器嚴(yán)重得多。鍋爐金屬的腐蝕速度，一般隨溫度的升高而加快。這是因?yàn)闇囟壬邥r(shí)，各種物質(zhì)在水中的擴(kuò)散速度加快和鍋水的電阻值降低了。這些都會(huì)加速電化學(xué)腐蝕的電極過(guò)程，而使金屬腐蝕速度加快。Ca、P等元素在管內(nèi)表面的沉積也會(huì)改變鍋爐水的pH值，加快腐蝕速率。

另外，該水冷壁管組織為：魏氏組織鐵素體+珠光體。高壓鍋爐用20#鋼無(wú)縫鋼管的顯微組織應(yīng)為鐵素體+珠光體，而不允許存在魏氏體組織。魏氏組織是先共析相的一種特殊形態(tài)，對(duì)于亞共析鋼來(lái)說(shuō)，是指從晶界向晶內(nèi)生長(zhǎng)形成的一系列具有一定取向的片(或針)狀鐵素體，通常稱為魏氏鐵素體，魏氏鐵素體從單個(gè)的形態(tài)來(lái)看，雖呈片(或針)狀。魏氏組織、及與其相伴的晶粒粗大對(duì)鋼材的塑性有很大的不利影響。

5 結(jié)論

綜合以上分析認(rèn)為，該水冷壁管是由于內(nèi)壁發(fā)生氧腐蝕，致使整個(gè)管壁減薄，最終在減薄最嚴(yán)重處產(chǎn)生圓孔泄漏。

1）鍋爐水中氧元素偏高是水冷壁管產(chǎn)生腐蝕，并最終導(dǎo)致泄漏的主要原因；

2）水冷壁管金相組織中的魏氏組織鐵素體會(huì)降低水冷壁管的力學(xué)性能。

6 建議

1）嚴(yán)格控制鍋爐水中氧含量及其它雜質(zhì)的含量；

2）對(duì)水冷壁管進(jìn)行金相檢驗(yàn)，存在魏氏組織鐵素體的水冷壁管不建議使用；

3）在停車檢修期間對(duì)水冷壁管進(jìn)行測(cè)厚檢驗(yàn)，對(duì)產(chǎn)生減薄的水冷壁管及時(shí)進(jìn)行更換；

4）該鍋爐已投入運(yùn)行近18年，而累積運(yùn)行時(shí)間只有58376h，說(shuō)明停爐時(shí)間較長(zhǎng)，在停爐不用時(shí)應(yīng)做好對(duì)水冷壁管得保養(yǎng)工作。